陳國(guó)棟

(大唐淮南洛河發(fā)電廠，安徽 淮南 232008)

0 引言

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生一點(diǎn)接地故障時(shí)，由于沒有構(gòu)成電流通路，對(duì)發(fā)電機(jī)不會(huì)造成直接的危害，發(fā)電機(jī)可以繼續(xù)運(yùn)行。但此時(shí)接地極對(duì)地電壓降低，非故障極對(duì)地電壓升高；當(dāng)接地為金屬性接地時(shí)，接地極電壓為0，非故障極電壓升高為轉(zhuǎn)子電壓，就有可能再發(fā)生第2 個(gè)接地故障點(diǎn)。若再次發(fā)生另一點(diǎn)接地而形成2 點(diǎn)接地故障時(shí)，不僅故障電流可能會(huì)造成轉(zhuǎn)子鐵芯或護(hù)環(huán)嚴(yán)重?zé)龎?，而且由于一部分轉(zhuǎn)子繞組被短接而破壞了轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的對(duì)稱性，使得機(jī)組發(fā)生劇烈的振動(dòng)和轉(zhuǎn)子鐵芯被磁化。因此，當(dāng)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生一點(diǎn)接地時(shí)，應(yīng)迅速采取措施消除故障，恢復(fù)機(jī)組正常運(yùn)行。

1 機(jī)組運(yùn)行方式

某電廠5 號(hào)發(fā)電機(jī)組為上海電機(jī)廠生產(chǎn)的QFS-600-2 型水氫氫冷卻發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁方式采用機(jī)端自并勵(lì)方式，發(fā)電機(jī)出口并接1 臺(tái)山東金曼克公司生產(chǎn)的ZLS-6 300/20 干式勵(lì)磁變(Yd11，20/0.88 kV)作為勵(lì)磁電源。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器選用上海成套發(fā)電設(shè)備研究所引進(jìn)瑞士ABB 公司技術(shù)生產(chǎn)的Unitrol 5000 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，它通過可控硅整流橋控制勵(lì)磁電流來調(diào)節(jié)同步發(fā)電機(jī)端電壓和無功功率。系統(tǒng)配備專門的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)檢測(cè)裝置UNS 3020a 來檢測(cè)同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的接地故障。

2 轉(zhuǎn)子接地保護(hù)工作原理

轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置UNS 3020a 是一個(gè)獨(dú)立保護(hù)繼電器，采用惠斯頓電橋原理來測(cè)量轉(zhuǎn)子繞組與大軸之間的接地電容，以監(jiān)視轉(zhuǎn)子繞組對(duì)地絕緣水平(見圖1)。

圖1 轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理

保護(hù)輸入電路一端利用匹配電容(CK1，CK2)連接到勵(lì)磁繞組的正負(fù)極，另一端經(jīng)接地碳刷連接在大軸上。2 只高值電阻R 和調(diào)整電容CX、轉(zhuǎn)子繞組與大地之間的自然電容CR，匹配電容CK1和CK2 共同組成R/C 測(cè)量電橋，正常情況下CK1 和CK2 大于CR。測(cè)量橋的輔助電源既可由獨(dú)立的交流電源供電，也可由發(fā)電機(jī)出口電壓互感器供電。電橋按標(biāo)準(zhǔn)非故障情況校準(zhǔn)平衡，即跨越電橋的電壓值U最小。與大軸相連的橋臂應(yīng)在最初安裝時(shí)，通過測(cè)量轉(zhuǎn)子繞組，包括所有轉(zhuǎn)子供電電纜的電容來進(jìn)行初始化。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生接地故障時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組電容被故障漏電阻分流，則電橋平衡被打破，跨越電橋的電壓值U上升，根據(jù)U的大小決定發(fā)出報(bào)警(Stage l alarm)或跳閘(Stage 2 trip)。

該保護(hù)裝置的特點(diǎn)是：保護(hù)兩段設(shè)置，I 段報(bào)警，II 段跳閘，每段接地電阻設(shè)定值和延時(shí)時(shí)間可單獨(dú)調(diào)整；保護(hù)接線簡(jiǎn)單，沒有死區(qū)，勵(lì)磁繞組上任一點(diǎn)的接地靈敏度基本相近，可用作整個(gè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路(包括功率可控硅和勵(lì)磁變壓器二次側(cè))接地故障保護(hù)。但是，電橋平衡容易受轉(zhuǎn)子碳刷和大軸接地碳刷接觸電阻的影響；對(duì)疊加交流電源的頻率要求較嚴(yán)格；測(cè)量臂為復(fù)數(shù)臂，因此調(diào)節(jié)電橋平衡比較麻煩。

3 異?，F(xiàn)象

2011-05-06，電廠5 號(hào)發(fā)電機(jī)小修后啟動(dòng)，進(jìn)行發(fā)電機(jī)空載試驗(yàn)。當(dāng)發(fā)電機(jī)端電壓升至80 %額定值(16 kV)時(shí)，轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)I 段報(bào)警信號(hào)發(fā)出。測(cè)量轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)裝置電橋輸出電壓約600 mV 且有上升趨勢(shì)；立即對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)直流側(cè)進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓正負(fù)對(duì)地均為52 V左右，且對(duì)稱變化。繼續(xù)升壓至額定值(20 kV)，穩(wěn)定運(yùn)行約2 min，轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)裝置電橋輸出電壓升至2 000 mV，轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)II 段動(dòng)作跳閘。發(fā)電機(jī)跳閘后，使用500 V 搖表測(cè)量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線棒絕緣電阻為2 MΩ；測(cè)量轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)裝置電橋輸出電壓穩(wěn)定于50 mV。

重新對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行空載升壓，同時(shí)密切監(jiān)視轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)裝置電橋輸出電壓的變化趨勢(shì)。發(fā)現(xiàn)該電壓值隨著發(fā)電機(jī)端電壓的升高而逐漸增大。當(dāng)發(fā)電機(jī)端電壓升高至額定值時(shí)，該電壓值再次達(dá)到2 000 mV，轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)II段再次動(dòng)作跳閘。

4 檢查及處理經(jīng)過

4.1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組絕緣檢測(cè)

機(jī)組啟動(dòng)前，測(cè)量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組對(duì)地絕緣電阻為1.5 MΩ。在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min 且未加勵(lì)磁情況下，測(cè)量轉(zhuǎn)子回路對(duì)地絕緣電阻大于1 MΩ，可以排除“發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組存在接地現(xiàn)象”這一原因。

4.2 發(fā)電機(jī)大軸接地碳刷檢查

發(fā)電機(jī)大軸接地碳刷在運(yùn)行中經(jīng)常會(huì)因磨損、積灰塵等原因造成接觸不良。大軸接地碳刷接觸不好時(shí)，在大軸上會(huì)產(chǎn)生軸電壓。軸電壓中含有基波、高次諧波和噪聲分量，它們經(jīng)過大軸與轉(zhuǎn)子繞組間的分布電容到達(dá)轉(zhuǎn)子繞組，經(jīng)由轉(zhuǎn)子接地裝置的電容和軸電壓抑制器到達(dá)電橋一臂，越過電容達(dá)到接地信號(hào)測(cè)量端(U)，造成輸出電壓不規(guī)則波動(dòng)。分布電容的變化能造成轉(zhuǎn)子接地裝置誤發(fā)接地報(bào)警信號(hào)，甚至在極端條件下可能誤發(fā)跳閘信號(hào)。

就地檢查發(fā)電機(jī)大軸2 塊接地碳刷，接觸良好，無跳躍、冒火等異?，F(xiàn)象；碳刷辮與連接電纜接觸完整，連接牢固。因此，可以排除“由于接地碳刷接觸因素而影響轉(zhuǎn)子接地保護(hù)輸出”這一原因。

4.3 發(fā)電機(jī)滑環(huán)碳刷檢查

發(fā)電機(jī)碳刷與轉(zhuǎn)子滑環(huán)接觸不良也會(huì)造成電橋平衡被破壞，從而影響保護(hù)裝置測(cè)量端輸出的電壓信號(hào)。

對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子滑環(huán)及碳刷進(jìn)行檢查：各碳刷接觸面完好，刷辮無斷股或松動(dòng)，均壓彈簧安裝牢固、壓力均勻、活動(dòng)自如，盤車時(shí)無跳動(dòng)現(xiàn)象；滑環(huán)表面清潔、圓整，無劃傷和發(fā)熱痕跡；風(fēng)道暢通。因此，可以排除“發(fā)電機(jī)滑環(huán)碳刷與轉(zhuǎn)子滑環(huán)接觸不良”這一原因。

4.4 機(jī)組運(yùn)行工況檢查

機(jī)組運(yùn)行過程中，振動(dòng)突變?cè)斐山拥靥妓⑴c大軸接觸不良、勵(lì)磁通道切換產(chǎn)生的高頻電壓脈沖、發(fā)電機(jī)出口電壓波動(dòng)等因素可能引起轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)裝置電橋輸出電壓的突然增大。轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)2 次動(dòng)作跳閘時(shí)，機(jī)組維持3 000 r/min 的轉(zhuǎn)速，各軸承振動(dòng)均小于70μm，無明顯變化；勵(lì)磁調(diào)節(jié)器A 通道運(yùn)行，B 通道自動(dòng)跟蹤，未切換；轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置采用UPS 裝置供電方式，發(fā)電機(jī)端電壓變動(dòng)也不會(huì)引起保護(hù)裝置電橋輸出電壓增大。因此，可以排除“由于運(yùn)行工況變化而影響保護(hù)裝置輸出”這一原因。

4.5 轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置UNS 3020a 檢查

若保護(hù)裝置匹配電容配制及電橋平衡沒有調(diào)到最優(yōu)狀態(tài)，則在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行期間，裝置輸出電壓始終存在一定的電壓，且電壓值與不平衡度成正比關(guān)系。依據(jù)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)裝置調(diào)試導(dǎo)則，在發(fā)電機(jī)未加勵(lì)磁情況下，通過電容匹配，調(diào)整接地保護(hù)裝置電橋輸出電壓低于60 mV。在2 次保護(hù)動(dòng)作發(fā)電機(jī)滅磁后，測(cè)量電橋輸出電壓約53 mV，因此可以排除“轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)裝置電橋不匹配”這一原因。

4.6 勵(lì)磁回路交流側(cè)檢查

根據(jù)發(fā)電機(jī)升壓后轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)輸出電壓的變化趨勢(shì)以及上述檢測(cè)情況分析判斷，勵(lì)磁回路確實(shí)存在接地點(diǎn)，且接地點(diǎn)可能在勵(lì)磁變低壓側(cè)，在整流柜可控硅導(dǎo)通期間，轉(zhuǎn)子繞組對(duì)地電容短接(見圖2)，使電橋平衡破壞，引起電橋輸出電壓上升。

圖2 三相橋式整流電路

使用500 V 搖表測(cè)量勵(lì)磁變低壓側(cè)三相對(duì)地絕緣電阻，發(fā)現(xiàn)C 相對(duì)地絕緣電阻為0，其余兩相絕緣電阻正常。因此，對(duì)一次回路進(jìn)行詳細(xì)查找，發(fā)現(xiàn)勵(lì)磁變低壓側(cè)C 相出口至共箱母線軟連接線與外殼伸縮節(jié)處的橡膠皮接觸。將軟連接線與橡膠皮分離后，C 相對(duì)地絕緣電阻恢復(fù)正常。

處理后再次將發(fā)電機(jī)升壓至額定值，接地保護(hù)裝置輸出電壓小于200 mV，遠(yuǎn)低于600 mV 的報(bào)警值，轉(zhuǎn)子回路正負(fù)極對(duì)地絕緣電阻也均正常，機(jī)組成功并網(wǎng)運(yùn)行。

5 防范措施

由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在運(yùn)行中高速旋轉(zhuǎn)，長(zhǎng)期運(yùn)行后在離心力的作用下，轉(zhuǎn)子線棒會(huì)發(fā)生輕微松動(dòng)、移位并磨損絕緣，再加上勵(lì)磁電流熱效應(yīng)造成的絕緣劣化，會(huì)引發(fā)一點(diǎn)接地故障。在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生一點(diǎn)接地故障時(shí)，不應(yīng)局限在直流回路查找故障點(diǎn)，而應(yīng)將檢查范圍擴(kuò)大到勵(lì)磁裝置的交流側(cè)，以免貽誤時(shí)機(jī)，造成故障的擴(kuò)大。

此外，發(fā)電機(jī)組檢修期間，因各設(shè)備單體絕緣監(jiān)督測(cè)量的需要，對(duì)發(fā)變組各設(shè)備間軟連接進(jìn)行拆接工作。在恢復(fù)接線工作時(shí)，必須嚴(yán)格執(zhí)行檢修工藝要求，確保設(shè)備對(duì)地絕緣保持足夠安全距離。

6 結(jié)束語(yǔ)

發(fā)電機(jī)組在未加勵(lì)磁狀況下，由于可控硅元件未導(dǎo)通，因此機(jī)組啟動(dòng)前的定轉(zhuǎn)子絕緣檢測(cè)無法反映勵(lì)磁回路交流側(cè)對(duì)地絕緣情況，所以在出現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子對(duì)地絕緣下降的異常時(shí)，不僅要詳細(xì)檢查直流回路對(duì)地絕緣，還應(yīng)該結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，對(duì)勵(lì)磁回路交流側(cè)進(jìn)行查找。